基于序电流比值关系的高压输电线路断线故障判别与保护方法

2022-10-26隋佳闽易建波赵子涵

电工电能新技术 2022年10期

隋佳闽，易建波，黄琦，陈军，赵子涵

(1.电力系统广域测量与控制四川省重点实验室，电子科技大学，四川成都 611731；2.四川国网电力公司，四川成都 610041)

1 引言

我国高压输电线路以架空线路为主，线路的架设环境复杂，运行条件多变，很难做到全路径监管，易受自然因素和外部因素的影响，导致线路故障。近年来，高压输电线路的断线故障发生率显著上升，相较于短路故障的保护和重视程度，断线故障的识别和保护技术明显不足，已引起电网运行部门的广泛关注[1,2]。高压输电线路断线故障虽然不会引起电流激增，但会造成输电线路的三相电流不平衡，非全相运行的输电线路零序电流和负序电流会增加输电线路损耗、降低开关设备的使用寿命容易引发安全事故[3,4]，尤其是断线故障还可能引发220 kV输电线路上的保护误动进而导致故障范围扩大。为了保障输电线路的稳定运行，减少断线故障所带来的经济损失和事故隐患，高压输电线路断线故障的快速识别和附加保护方法已经成为目前亟待解决的问题[5-8]。

文献[9]利用序网络详细分析了断线故障后的相电压、电流特征，通过整定相电压和电流相关系数构造故障检测判据。文献[10]进一步基于结合随机森林算法，利用断线故障后相电压和相电流特征信息构建了一套断线智能检测系统，但该方法需要大量的训练数据且可能出现漏判。文献[11]针对有源配网输电线路，通过比较电压故障分量实现对线路短路和断线故障的保护。文献[12]提出基于馈线终端和配电变压器终端电压稳态信息建立断线故障识别方法，但该方法在电源侧接地电阻较低时可能失效。文献[13]讨论了分布式电源的主动配电网中，利用中性点电压和负序电流比为基础构建断线故障保护判据，但此方法不能拓展至高压输电线路。文献[14]利用断线故障线路两端的电流和电压的特征构建识别判据。文献[15]细致讨论了架空线路断线故障后，提出利用线路两端的信息识别故障的方法，但容易将断线故障与短路故障混淆。文献[16]则指出输电线路出现断线故障后引发的零序电流幅值与故障位置无关，但与负荷电流相关，具体的故障识别方法和保护逻辑还有待进一步论证。

基于此，本文首先分析输电线路发生断线故障后距离保护和零序电流保护的动作情况，并通过对称相量法推导断线故障后的端电流、电压以及序电流的变化特征。然后，对比断线故障和接地故障后的正序电流与零序电流的变化情况，推导以正序电流与零序电流的比值关系为基础，适合不同电压等级高压输电线路的断线故障保护判据，完善了输电线路断线故障的保护逻辑。最后，在四川省川丹巴线和川小金线的输电线路上进行应用分析，验证本文方法对于高压输电线路断线故障识别和保护的有效性。

2 断线故障特征与保护逻辑分析

高压输电线路一般配置的主保护和后备保护分别是距离保护、零序电流保护。当输电线路发生由接地故障引起的断线故障，如：工程机械挖掘、树木挂断线路等，此时可由距离保护或零序电流保护切除，而当输电线路仅发生断线故障时，距离保护和零序电流保护有效性需要讨论。

2.1 单相断线故障特征分析

首先分析输电线路发生单相断线故障后距离保护的动作情况。假设输电线路发生A相断线故障，则输电线路A相断线处的边界条件为：

(1)

(2)

图1 单相断线故障复合序网

图1中的U(0)为输电线路发生A相断线故障前断线处的电压；Z00、Z11、Z22分别为从断线点处看进去的零序、正序和负序阻抗。

保护安装处的A相阻抗测量值为ZA，其值计算如下式所示：

(3)

式中，UA、IA分别为A相单相断线后的电压和电流。根据边界条件可知，输电线路发生A相断线故障后故障相电流趋于零，但故障相电压却无明显变化，根据式(3)可知断线相的阻抗测量值趋于无穷大。

距离保护只有在输电线路的阻抗测量值小于保护整定值时才动作切除故障，该整定值一般为几十欧姆。输电线路断线后电压、电流的变化特征不受输电线路电压等级的影响，因此不论电压等级为多少的输电线路发生单相断线故障，距离保护都将拒动。

除距离保护外还需分析单相断线故障对零序电流保护的影响。当输电线路发生单相断线故障后，根据单相断线故障的复合序网，故障所产生的正序、负序、零序电流可表示为[17]：

(4)

(5)

输电线路的正序阻抗和负序阻抗均小于零序阻抗，因此由式(5)可推得：I0

根据继电保护规程，零序电流保护最末一段的动作值一般不超过300 A。而由式(5)可知，当线路的负荷电流超过300 A时，线路发生单相断线后的零序电流便可能超过300 A，进而达到零序电流保护动作的条件。

高压输电线路常见的电压等级有220 kV、110 kV以及35 kV，其中220 kV输电线路在经济输送容量下的负荷电流能够达到甚至超过300 A，因此220 kV输电线路发生单相断线故障后容易引起零序电流保护动作。而110 kV和35 kV输电线路在经济输送容量下的负荷电流均未超过300 A，输电线路发生单相断线故障后不会引起零序电流保护动作。

2.2 两相断线故障特征分析

现假设输电线路发生B、C两相断线故障，此时两相断线故障的边界条件可以表示为：

(6)

(7)

根据式(7)可知，输电线路B、C两相断线故障的复合序网如图2所示。

图2 两相断线故障复合序网

图2中的电压、电流以及阻抗与图1中的一致，在此不再赘述。根据式(3)和式(6)可知，输电线路发生B、C两相断线故障后，B、C两相的测量阻抗同样为无穷大且不受输电线路电压等级的影响。因此，距离保护无法切除输电线路上的两相断线故障。

同理，根据两相断线故障的复合序网可以得到输电线路发生两相断线故障后的正序、负序、零序电流为：

(8)

由于输电线路的正序阻抗和负序阻抗相等且小于零序阻抗，根据式(8)可推得：I0

2.3 三相断线故障特征分析

综上所述，输电线路上的距离保护不具备识别并切除断线故障的能力。零序电流保护只能切除220 kV输电线路上的单相断线故障和两相断线故障。虽然零序电流保护可以切除故障，但无法准确区分断线故障与接地故障且可能导致故障范围扩大，不利于后续检修。

3 断线故障附加判据和保护方法

由于输电线路现有的保护装置无法可靠识别断线故障，本节将进一步分析断线故障后序电流的变化情况，推导以正序电流与零序电流比值关系为基础的输电线路断线故障识别判据。

输电线路发生单相断线故障后的各序电流可由式(4)得出，现将输电线路的正序、零序电流做比值运算可以得到：

(9)

对于输电线路而言，系统的零序阻抗大于正序阻抗和负序阻抗，结合式(9)可以得出结论：输电线路单相断线后正序电流幅值是零序电流幅值的2倍以上，即I1/I0>2。

同理根据式(8)可得：输电线路两相断线后正序电流与零序电流的幅值比为1，即I1/I0=1。而对于三相断线故障而言，输电线路三相断线后的正序、零序电流为零，即I1=I0=0，因此正序电流与零序电流的幅值比不存在。

现分析输电线路单相接地后电流、序电流的特征。以A相接地故障为例，假设输电线路A相k点出现接地故障，采用对称分量法可得故障后各序电流以及接地点故障相的电流为：

(10)

根据式(10)可以得出：输电线路发生单相接地故障时各序电流大小相等，即：Ik1/Ik0=1，这与两相断线故障相同。由于正序、零序和负序阻抗值较小，输电线路单相接地后故障相的电流将会激增，可以凭借该特点区分单相接地故障和两相断线故障。

根据上述分析可知，通过计算输电线路故障后正序电流与零序电流的幅值比并结合故障后电流、电压以及序电流的特征可以判断输电线路是否发生断线故障。考虑到输电线路电压等级对零序电流保护的影响，针对不同电压等级的输电线路分别构建断线故障保护判据。

3.1 220 kV输电线路断线故障保护判据

对于220 kV输电线路而言，保护判据除了能够快速识别断线故障外，还要能够区分断线故障和接地故障，据此构建220 kV输电线路的单相、两相断线故障保护判据：

(11)

式中，3I0为流入保护装置的零序电流；I0set为零序电流保护的整定值，根据规程其值取300 A；IL为输电线路的负荷电流；ILset为负荷电流整定值，根据之前的分析取300 A；Krel为可靠性系数，取值1.2；If为故障相电流；Iset为无流整定值，大小取额定电流的4%；ΔUφ为线路任意一相的电压变化量；Uset为电压变化整定值，其值取额定电压的4%；I1和I0分别为正序电流和零序电流幅值；Kdis为距离保护的动作情况，1表示保护动作。

输电线路三相断线后系统的序电流为零，正序电流与零序电流的幅值比不存在，因此输电线路三相断线故障的保护判据可表示为：

(12)

式中，Iφ为线路任意一相的电流。当220 kV输电线路的电气量满足判据式(11)或式(12)时，可以判断输电线路发生了断线故障，最后根据线路的实际运行情况和输电可靠性的要求，设置距离保护对断线故障的选切方案。

3.2 110 kV和35 kV输电线路断线故障保护判据

由第2节的分析可知，110 kV和35 kV输电线路发生断线故障后不会引起零序电流保护动作，所以无需判断零序电流3I0和负荷电流IL是否超过整定值。

因此110 kV和35 kV输电线路单相、两相断线故障保护判据可表示为：

(13)

110 kV和35 kV输电线路三相断线故障保护判据同式(12)。同样地，当110 kV和35 kV输电线路电气量满足式(13)或式(12)时，可以确定线路发生了断线故障，并根据实际运行情况由距离保护对断线故障进行选切。

综上，针对不同电压等级输电线路的断线故障，本节提出了两套断线故障保护判据，所提保护判据原理简单，保护判据中的电气量可以在输电线路的保护安装处直接获取，无需增加额外的测量设备。

4 应用分析

本文所提出的断线故障保护方法已经应用于四川省的川丹巴220 kV输电线路L1、川小金110 kV输电线路L2以及川丹巴35 kV输电线路L3。四川省川丹巴线和川小金线的输电线路结构图如图3所示。

图3 川丹巴线和川小金线输电线路模型图

经测量220 kV输电线路L1、110 kV输电线路L2、35 kV输电线路L3正常运行时的负荷电流分别为399.05 A、199.53 A、63.48 A，符合第2节的分析。记录三条输电线路在单相断线故障、两相断线故障、三相断线故障、单相接地故障这四种情况下的电流和电压变化量，结果分别见表1和表2。

表1 不同电压等级输电线路不同故障下的电流

表2 不同电压等级输电线路不同故障下的电压变化

根据保护判据中对Iset和Uset的定义，可以计算这三条输电线路的无流整定值和电压变化整定值。经计算Iset·L1、Iset·L2、Iset·L3分别为14.64 A、7.34 A和2.66 A，Uset·L1、Uset·L2和Uset·L3分别为8.80 kV、4.40 kV、1.40 kV。

分析表1和表2可知，输电线路发生断线故障后，故障相电流低于无流整定值，各相电压的变化量均未超过整定值。而当输电线路发生单相接地故障时，故障相电流远大于无流整定值，故障相电压的变化量也超过了整定值。此外，220 kV线路L1正常运行时的负荷电流超过了360 A且线路L1发生单相断线故障和两相断线故障后系统的零序电流超过了300 A，而110 kV和35 kV线路断线后系统的零序电流则没有超过300 A，符合第2节的分析。

由上述实验结果可知，220 kV线路、110 kV和35 kV线路发生断线故障后，电流以及电压变化量满足判据式(11)～式(13)，证明所提判据是正确且合理的。

220 kV输电线路L1发生两相断线故障和单相接地故障后的正序电流、零序电流的变化情况如图4所示。(图4～图7中的虚线均为输电线路加入保护判据前发生断线故障后的正序、零序电流变化情况。)

从图4可知，线路L1发生两相断线故障和单相接地故障时，正序电流与零序电流的幅值比均约为1。线路L1加入保护判据前，单相接地故障和两相断线故障都是由零序电流保护切除，不利于区分故障类型。在线路L1加入保护判据后，距离保护在0.5 s便将两相断线故障切除，不仅更快地切除故障还便于区分断线故障和接地故障。除两相断线故障和单相接地故障外，输电线路L1发生单相断线故障和三相断线故障后正序电流和零序电流的变化情况如图5所示。

图4 线路L1单相接地和两相断线后的正序、零序电流

图5 线路L1单相断线和三相断线后的正序、零序电流

从图5可以发现，线路L1单相断线后的正序电流与零序电流的幅值比大于2，三相断线后的序电流均小于Iset·L1。在加入断线故障保护判据前，线路L1上的单相断线故障同样由零序电流保护切除，而三相断线故障则无法被保护切除。线路L1加入保护判据后，距离保护在故障发生后的0.3 s内便能够将单相断线故障和三相断线故障切除。说明本文所提保护判据式(11)和式(12)在220 kV输电线路上是可行且有效的。

110 kV输电线路L2发生断线故障后的正序电流与零序电流的变化图像如图6、图7所示。

图6 线路L2单相断线后的正序、零序电流

图7 线路L2两相断线和三相断线后的正序、零序电流

从图6和图7可以发现，在加入保护判据前，110 kV输电线路L2上的单相、两相和三相断线故障均无法被保护切除。加入保护判据后，线路L2的距离保护能够在0.3 s内将断线故障切除。线路L2发生单相、两相断线故障后正序电流与零序电流的幅值比符合判据式(13)，三相断线后正序电流和零序电流小于Iset·L2，符合所提判据式(12)。

35 kV输电线路L3上加入断线故障保护判据后，正序电流和零序电流的变化情况与图6、图7一致，故不再赘述。这证明了所提断线故障保护判据在电压等级为110 kV和35 kV的输电线路上依旧是可行有效的。

综上所述，在川丹巴线和川小金线的220 kV、110 kV以及35 kV输电线路上加入断线故障保护判据后，零序电流保护不会因为断线故障而动作，便于后续区分故障类型，同时距离保护能够及时识别并切除输电线路上的断线故障，证明了本文所提断线故障保护判据在实际应用中是可行且有效的。